1、無線傳感器網絡在地震監(jiān)測中的應用摘要針對傳統(tǒng)有線網絡難以有效進行地震監(jiān)測的問題，本文設計了基于無線傳感器網絡的地震監(jiān)測系統(tǒng)。分析了該監(jiān)測系統(tǒng)的結構，介紹了所設計的地震監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點硬件組成、適合的路由協議和MAC層協議以及通信方式。適應復雜多變的環(huán)境，監(jiān)測各種有線網絡無法有效監(jiān)測的地區(qū)，實現災難預警與救助。關鍵詞：無線傳感器網絡 地震監(jiān)測 路由協議 MAC層協議1、緒論地震監(jiān)測是防震減災、地震科學研究的必要技術基礎，目前，國內外的地震監(jiān)測系統(tǒng)仍處于初級階段，不能滿足地震預警的要求，存在漏報、誤報、遲報現象，例如監(jiān)測臺網密度低、監(jiān)測數據精度低、信息不豐富、數據傳輸速度慢、成本高等。通過使用由大量互

2、連的微型傳感器節(jié)點組成的傳感器網絡，可以對不同環(huán)境進行不間斷的高精度數據搜集。采用低功耗的無線通信模塊和無線通信協議可以使傳感器網絡的生命期延續(xù)很長時間。保證了傳感器網絡的實用性。無線傳感器網絡相對于傳統(tǒng)的網絡，其最明顯的特色可以用六個字來概括即：“自組織，自愈合”。這些特點使得無線傳感器網絡能夠適應復雜多變的環(huán)境，去監(jiān)測人力難以到達的惡劣環(huán)境地區(qū)。無線傳感器網絡節(jié)點體積小巧,不需現場拉線供電，非常方便在應急情況下進行靈活部署監(jiān)測并預測地質災害的發(fā)生情況。2、傳感器節(jié)點設計無線傳感器網絡是最近幾年興起的技術，在地震監(jiān)測方面的應用研究也剛剛開始。本文以無線傳感器網絡技術為基礎，結合GPRS通信技

3、術，實現對地震監(jiān)測區(qū)域的遠程實時監(jiān)測，并通過對采集數據的分析和處理，實現對所監(jiān)測區(qū)域的預警預報。傳感器節(jié)點是網絡的基本單元，承擔著計算、存儲、通信以及傳感或執(zhí)行任務，在本地震監(jiān)測系統(tǒng)中主要實現橫波、縱波、面加速度、地理位置、平面位移等地震相關參量的采集和無線收發(fā)等功能。無線傳感器節(jié)點主要功能是對網絡覆蓋區(qū)域情況進行動態(tài)監(jiān)測，并通過射頻通信的方式，將數據傳輸至網關。根據實際應用要求，傳感器節(jié)點主要由四部分組成：數據采集模塊、存儲模塊和數據控制、無線通信模塊和能量供應模塊。其中，數據采集模塊主要是對監(jiān)測區(qū)域內信息進行采集和數據的轉換，處理器模塊主要負責對整個傳感器的節(jié)點進行控制操作，處理、存儲節(jié)點

4、自身傳送過來的數據和由其他節(jié)點傳送過來的數據，無線通信模塊主要是負責與其它傳感器節(jié)點或者基站進行無線的通信、交流和交換控制信息，以及接收和轉發(fā)采集來的數據，能量供應模塊主要是為傳感器節(jié)點提供正常工作所需的能量，能夠保證系統(tǒng)的正常有效的運行，一般使用的是微型電池。地震檢波器是用于地質勘探和工程測量的專用傳感器，是一種將地面振動轉變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅鳎馨训卣鸩ㄒ鸬牡孛嬲饎愚D換成電信號，經過模/數轉換器轉換成二進制數據、進行數據組織、存儲、運算處理。加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備，典型應用在手機、筆記本電腦、步程計和運動檢測等。本設計采用Freescale公司的MMA7455L來實現地

5、震檢波器測試儀的設計，其具有信號調理、溫度補償、自測，以及可配置到檢測0g或脈沖檢測快速運動等功能，產品具有功耗低、精度高、速度快的特點。3、路由協議3、1地震監(jiān)測中的路由協議的要求網絡規(guī)模大，分布范圍廣，對網絡節(jié)能性要求高。地震監(jiān)測的無線傳感器網絡分布范圍非常廣，而且地形環(huán)境復雜，節(jié)點電池的更換或能量的補給幾乎是不可能的，因此網絡及網絡中的節(jié)點應盡量減少能量消耗，以延長自身的壽命，能源的高效使用成為路由協議設計的首要目標。地震發(fā)生的概率非常低，而且地震的發(fā)生具有隨機性，是不可預測的，因此傳統(tǒng)的時間周期性傳遞監(jiān)測數據的路由協議不太合適，這里需要的是事件驅動型傳感器網絡。地震未發(fā)生時，只需要周期

6、性地傳輸少量的無線傳感器網絡健康狀況數據，只有地震發(fā)生時才需要傳輸大量的關鍵數據。同時地震發(fā)生時，監(jiān)測數據的傳輸對及時性、可靠性有一定的要求，大量的監(jiān)測數據需要及時、可靠地傳輸到監(jiān)控中心。地震監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點會由于能量耗盡或地震破壞等環(huán)境因素造成失效減少，或者也會補充一些傳感器節(jié)點來彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度等，從而使網絡的拓撲結構隨之也動態(tài)變化。這就要求無線傳感器網絡有較強的自組織性，能夠適應這種網絡拓撲結構的動態(tài)變化。3.2路由協議的選擇及原因根據地震實時發(fā)生的特性，我們選擇了APTEEN協議，APTEEN (Adaptive Periodic Threshold-sensitiv

7、e Energy Efficient sensor Network protocol)是一種混合協議，兼有主動和響應兩種類型的數據傳輸模式，可以根據用戶需要和應用類型來設定TEEN協議的周朝性和軟、硬門限的值，既可以周期性采集地震波轉換成的電壓信號又可以對地震做出快速響應。APTEEN隨著簇首節(jié)點的確定，簇首節(jié)點向簇內所有節(jié)點廣播屬性，閥值，調度方式計數時間。APTEEN為每一個傳感器節(jié)點定義一個計時器并設定相應的時間，當定時時間超時并且在此段時間內仍然沒有數據上報給簇頭節(jié)點時，則會強行該節(jié)點采集數據，且不論其數據是否滿足兩個門限，都將數據上報給簇頭節(jié)點。APTEEN可以支持3種不同的查詢類型

8、，包括分析過去數據的歷史性查詢，快速瀏覽網絡的一次性查詢和在一段時間內持續(xù)監(jiān)控某一事件的連續(xù)查詢。LEACH假設所有的節(jié)點都能直接與簇首以及基站通信，在需要監(jiān)測范圍大的應用中不適用；而且它僅僅以節(jié)點的剩余能量多少選擇簇首，形成的簇并不是最優(yōu)的。LEACH-C健壯性好且產生的簇較佳，但該協議由于每個節(jié)點都需要向基站周期性地報告它們的能量和位置等信息，從而導致增加網絡流量、時間延遲等。TEEN是第一個響應型的無線傳感器網絡路由協議，其網絡結構與LEACH類似，只是它的簇成員不像LEACH算法那樣總是發(fā)送數據給簇首。TEEN協議設置了硬、軟兩個閥值，只有當監(jiān)測到的數據超過硬閾值并且監(jiān)測數據的變化幅度

9、大于軟閾值時，節(jié)點才會傳送監(jiān)測數據。這樣可以大大減少節(jié)點發(fā)射數據的次數，數據傳送消耗的能量較少。但TEEN協議存在一個缺陷，如果閥值不能達到，節(jié)點就不會傳輸任何數據，導致用戶在某段時間不知道節(jié)點是否死亡。在能量分布和網絡生存時間的指標上，TEEN和APTEEN的性能都要優(yōu)于LEACH協議，TEEN 的缺點是不能實現數據的周期性采集，如果網絡節(jié)點沒有接收到相關閾值，那么節(jié)點就不會與簇頭進行通信，用戶也就完全得不到網絡的任何數據。APTEEN 協議在TEEN 的基礎上面加入了對周期性事件報告的支持。APTEEN獲得了較好的性能的指標,APTEEN很好地減少了網絡數據量，提高了網絡利用率和網絡生存時

10、間。3.3工作過程：傳感器節(jié)點采用以下工作過程：讀取傳感器的值，并把該值和設定的閾值相比較，當小于閾值時，就以30s 為周期循環(huán)采集監(jiān)測值；當超過閾值時，就回傳至監(jiān)測管理中心并報警。為了減少系統(tǒng)的數據傳輸量并能準確及時的對地震監(jiān)測進行預報，只有當測得的傳感器值達到閾值的34 時，才通過多跳路由對數據進行轉發(fā)，并最終通過GPRS 網關發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。4、MAC層設計4.1 MAC協議分析競爭型 MAC 協議能很好地適應網絡規(guī)模和網絡數據流量的變化，能靈活地適應網絡拓撲結構的變化，無需精確的時鐘同步機制，較易實現。但是存在能量效率不高的缺點，如沖 突重傳、空閑監(jiān)聽、串擾、控制開銷引起的能量損耗

11、。對于競爭型的 MAC 協議，一般情況下所有節(jié)點都共享一個普通信道。比如SMAC 協議中，節(jié)點協同進行周期性監(jiān)聽和睡眠的狀態(tài)切換，確保節(jié)點能同步進行監(jiān) 聽和睡眠調度，而不是各個節(jié)點自發(fā)進行隨機的睡眠和監(jiān)聽，周期性監(jiān)聽和睡眠的時間之和為一個調度周期。分配型 MAC 協議將信道資源按時隙、頻段或碼型分為多個子信道，各子信道之間無沖突，互不干擾。數據包在傳輸過程中不存在沖突重傳，所以能量效率較高。4.2MAC協議的選擇SMACS 協議是一種分布式協議，允許一個節(jié)點集發(fā)現鄰居并進行收發(fā)信道的分配，不需要全局節(jié)點來進行分配。為了實現這種機制，SMACS 協議將鄰居發(fā)現和信道分配進行了組合。SMACS 協

12、議在發(fā)現相鄰節(jié)點之間存在鏈路后立即分配信道，當所有節(jié)點都發(fā)現鄰居后這些節(jié)點就組成一個互連的網絡，網絡中節(jié)點兩兩之間至少存在一個多跳路徑。由于鄰近節(jié)點分配的時隙有可能產生沖突，為了減少沖突的可能性，每個鏈路都分配一個隨機選擇的頻點，相鄰鏈路都有不同的工作頻點。從這點上來講，SMACS 協議結合了 TDMA、FDMA 的基本思想。當鏈路建立后，節(jié)點在分配的時隙中打開射頻部分，與鄰居進行通信，如果沒有數據收發(fā)，則關閉射 頻部分進行睡眠；在其余時隙節(jié)點關閉射頻部分，降低能量損耗。此外，如 TDMA，節(jié)點只在分配給自己的時隙中打開射頻部分，其它時隙關閉射頻部分，避免了冗余接收，進一步降低了能量損耗。但是

13、分配型 MAC 協議通常需要網絡中的節(jié)點形成簇，不能靈活地適應網絡拓撲結構的變化。SMACS 提出了一種 TDMA/FDMA 結合的信道分配機制，該協議不需要集中控制的算法，可用來建立一種平面結構的網絡。通過為每對時隙分配隨機的載波頻率，SMACS 協議避免了全局時間同步，減少了復雜性。通過在超幀未分配的時隙進行睡眠，SMACS 協議減少了空閑監(jiān)聽和串擾，提供了較好的能量效率。此外，TRAMA具有較高吞吐量及較好的節(jié)能效果，但是它的時延比較大，不適合地震監(jiān)測，因此，我們選擇了SMACS，無需全局范圍內的時間同步，避免沖突，降低網絡負載。5、通信方式GPRS網關負責接收各無線監(jiān)測電路發(fā)回的數據及

14、狀態(tài)信息，綜合處理后通過GPRS網絡發(fā)送給監(jiān)測站，并可以通過GPRS網絡接收控制指令，轉發(fā)給各無線監(jiān)測節(jié)點。無線轉發(fā)站采用36V高能電池供電，并具有太陽能充電功能，可長期工作。GPRS(GeneralPacket Radio Service，通用無線分組業(yè)務)作為第二代移動通信技術GSM向第三代移動通信(3G)的過渡技術。GPRS不但具有GSM通信系統(tǒng)覆蓋范圍廣、通信質量高，而且還具有分組傳輸數據傳輸快、信道利用率高等優(yōu)點，另外它支持TCP/IP協議，可以直接與Internet互通，因此特別適合中低速率的環(huán)境監(jiān)測及監(jiān)控領域，比如無線傳感器網絡（WSN）的監(jiān)測與控制。基于GPRS 的無線網絡通信

15、系統(tǒng)主要由三部分構成:位于數據采集現場的GPRS 數據采集模塊、網絡運營商提供GPRS 網絡與遠程服務器。數據采集模塊位于各個數據采集現場, 由于移動公司的通信范圍已覆蓋我國的絕大部分地區(qū), 各數據采集模塊可分散地安裝在各種復雜的地理環(huán)境中而不必考慮線路鋪設等復雜的問題。GPRS 網絡是現場數據采集系統(tǒng)與遠程監(jiān)控中心數據交換的橋梁。數據采集模塊與測量儀表進行數據通信, 將測量儀表產生的檢測數據通過移動基站實時發(fā)送到GPRS 網絡服務商所提供的GGSN服務器, GGSN 分配給GPRS 數據采集終端相應的IP 地址, 從而實現了數據采集終端與Internet 的連接, 再通過Internet網絡將采集的數據發(fā)送到位于監(jiān)控中心的數據采集服務器。GPRS 模塊可以是始終在線的, 因此位于監(jiān)控中心的工作人員可以實時了解到終端設備的工作情況并做出相應的工作指示。6、結束語本文介紹了無線傳感器網絡在地震監(jiān)測中的應用。建立一套既具有先進